基于SEWES 的機(jī)載傳感器建模與仿真*

王世濤，馬 霞

(1.海軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局，重慶400042;2.中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

在航空領(lǐng)域，仿真技術(shù)已成為研制飛行器及其搭載設(shè)備的必備手段之一，取得了很高的軍事效益、經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益［1－3］。近年來，隨著軍事對抗系統(tǒng)的日益復(fù)雜，平臺裝備的傳感器功能不斷提高，種類不斷增加，軍用仿真系統(tǒng)正朝著高度集成化和模塊化的方向發(fā)展，高精度、高準(zhǔn)度的傳感器模型成為保證軍用仿真系統(tǒng)可信性的關(guān)鍵因素。

仿真系統(tǒng)的核心是仿真體系結(jié)構(gòu)，它從全局角度上描述仿真系統(tǒng)各個(gè)單元的功能、結(jié)構(gòu)以及不同單元之間的物理與邏輯關(guān)系，指導(dǎo)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與使用。目前，最常用的仿真體系結(jié)構(gòu)是DIS和HLA［4］。基于DIS 的仿真系統(tǒng)主要由仿真節(jié)點(diǎn)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成，其中，仿真節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)仿真實(shí)體的運(yùn)算與推進(jìn)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)仿真實(shí)體狀態(tài)和事件信息的傳遞。DIS 體系結(jié)構(gòu)具有邏輯清晰、實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但它是以廣播方式進(jìn)行信息傳遞，往往導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過大和時(shí)空不一致?；贖LA 的仿真系統(tǒng)主要由聯(lián)邦成員和運(yùn)行支撐環(huán)境RTI 組成，不同邦員之間按照接口規(guī)范進(jìn)行互操作。HLA 體系結(jié)構(gòu)采用客戶/服務(wù)器方式進(jìn)行信息傳遞，提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率，并且具有很好的開放性、可重用性、可擴(kuò)展性，但是實(shí)時(shí)服務(wù)的性能較差。更重要的是，由于DIS 和HLA 均側(cè)重于通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，從而無法很好地滿足具體領(lǐng)域的特定需求。因此，本文開發(fā)航空傳感器仿真系統(tǒng)時(shí)采用了更具專業(yè)背景的SEWES 平臺。

南非科技與工業(yè)研究院(CSIR)開發(fā)了一個(gè)基于Matlab 與Simulink 環(huán)境［2］的多對多傳感器和電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(Sensors ＆ Electronic Warfare Engagement Simulator，SEWES)，它可實(shí)現(xiàn)多個(gè)武器平臺在同一個(gè)仿真環(huán)境中進(jìn)行對抗，且每個(gè)武器平臺可根據(jù)需要配置多種傳感器和電子戰(zhàn)系統(tǒng)。SEWES 平臺可以選擇陸上、海上或空中平臺，每個(gè)平臺都有自己的管理中心，由它來控制不同仿真模塊之間的信息交互。SEWES 平臺內(nèi)的模型長期被CSIR 所使用，其可信性在多個(gè)武器裝備研制過程中得到過充分的驗(yàn)證。本文基于SEWES 架構(gòu)，重點(diǎn)研究應(yīng)用于空戰(zhàn)場景仿真的四類平臺和系統(tǒng)模型，分別是飛機(jī)平臺模型、機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)模型、機(jī)載電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型和射頻環(huán)境模型。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一套航空傳感器仿真系統(tǒng)，用以支撐機(jī)載綜合射頻傳感器的作戰(zhàn)需求分析及型號研制。

2 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

在SEWES 平臺上，所有系統(tǒng)模型的頂層結(jié)構(gòu)是固定統(tǒng)一的，如圖1所示。每個(gè)平臺均有一個(gè)平臺指揮與控制(PCC)單元，它集成了該平臺所有系統(tǒng)模型相應(yīng)的系統(tǒng)指揮與控制(SCC)模型，從而達(dá)到指揮和控制本平臺內(nèi)所有模型的目的。PCC 單元所發(fā)指令通過系統(tǒng)控制器(SC)發(fā)送給系統(tǒng)模型，這種鏈路通信是基于事件的。仿真中不同事件均以時(shí)間為基礎(chǔ)，系統(tǒng)模型通過參與到特定次序的事件中按其開始時(shí)間被觸發(fā)運(yùn)作。SC 的核心是一個(gè)狀態(tài)機(jī)，它以“狀態(tài)流”的方式運(yùn)行，模型執(zhí)行的不同階段都受其控制和安排。不同模型對應(yīng)狀態(tài)機(jī)的特定實(shí)現(xiàn)可以不同。數(shù)據(jù)獲取單元用于獲得當(dāng)前系統(tǒng)模型處理所需的來自其他系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)前系統(tǒng)是導(dǎo)彈，它需要自身平臺的位置信息和射頻目標(biāo)的射頻信息。系統(tǒng)模型單元是每種特定系統(tǒng)模型的算法實(shí)現(xiàn)。除了模型本身應(yīng)含的內(nèi)部功能外，它還應(yīng)具備以下通用功能:一是連接到PCC 單元響應(yīng)被要求的指控信息，如模型啟動(dòng)、與其他模型執(zhí)行同步、從其他模型請求和接收數(shù)據(jù)、向仿真記錄與顯示(SLD)單元發(fā)送系統(tǒng)模型輸出;二是連接到SLD單元;三是停止仿真。SLD 單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型與外部獨(dú)立顯控系統(tǒng)(場景內(nèi)所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)都在此集中記錄和顯示)之間的通信，它必須按照前端PCC 要求的時(shí)間和內(nèi)容實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。請求響應(yīng)單元是處理其他系統(tǒng)模型通過其自身的數(shù)據(jù)獲取單元向當(dāng)前模型發(fā)出的所有數(shù)據(jù)支撐請求，例如平臺模型通過該部分給導(dǎo)彈模型提供導(dǎo)彈發(fā)射的位置信息。

圖1 系統(tǒng)模型頂層結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The top structure of system model

3 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

3.1 飛機(jī)平臺模型

在SEWES 中，飛機(jī)平臺模型提供規(guī)定的飛機(jī)平臺參數(shù)信息，如位置、速度、加速度等，它包括六自由度運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)駕駛儀、雷達(dá)散射截面(RCS)計(jì)算等模塊。

六自由度運(yùn)動(dòng)模塊根據(jù)飛行力學(xué)計(jì)算飛機(jī)實(shí)時(shí)受力情況和飛機(jī)實(shí)時(shí)位置、姿態(tài)。六自由度運(yùn)動(dòng)分別為沿X 軸(東)、Y 軸(北)、Z 軸(天)的直線運(yùn)動(dòng)和繞X 軸(俯仰)、Y 軸(橫滾)、Z 軸(航向)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，工作原理為質(zhì)心動(dòng)力學(xué)方程和繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程。

自動(dòng)駕駛儀主要完成兩個(gè)功能:一是根據(jù)外部輸入的控制信號計(jì)算飛機(jī)的控制力;二是根據(jù)飛機(jī)的受力對飛機(jī)進(jìn)行姿態(tài)控制，使飛機(jī)平穩(wěn)飛行。它包含力控制和力矩控制兩個(gè)控制回路，均采用比例積分控制器進(jìn)行控制，其中力控制器的輸入為X、Y、Z 的速度偏差控制量，力矩控制器的輸入為橫滾角偏差控制量。

RCS 計(jì)算模塊根據(jù)接收到的射頻信號，結(jié)合飛機(jī)的姿態(tài)等信息，計(jì)算飛機(jī)到雷達(dá)的視線角，進(jìn)而計(jì)算飛機(jī)RCS，并產(chǎn)生回波信號。這里RCS 特征數(shù)據(jù)是通過在給定方位角、俯仰角的條件下查表獲得的。而表征飛機(jī)動(dòng)態(tài)信號行為的RCS 波動(dòng)是采用負(fù)指數(shù)分布(或稱瑞利功率)進(jìn)行建模，具體公式為

回波信號功率Pr=Piσ，其中Pi為雷達(dá)的發(fā)射功率。

3.2 機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)模型

20世紀(jì)90年代末，世界上第一部有源相控陣機(jī)載火控雷達(dá)AN/APG－77 研制成功，裝備在美國新一代戰(zhàn)機(jī)F－22 上［5］。本文以機(jī)載雷達(dá)APG－77 的系統(tǒng)功能及性能為參考，采用層次化的方法建立機(jī)載相控陣火控雷達(dá)系統(tǒng)的仿真模型，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)從發(fā)射波形的選擇到目標(biāo)回波的接收、信號和數(shù)據(jù)處理的全過程系統(tǒng)仿真。

圖2給出了機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)模型的基本功能模塊、輸入輸出以及信息流程。它是一個(gè)具有自適應(yīng)功能的閉環(huán)系統(tǒng)，接收外部系統(tǒng)導(dǎo)入的雷達(dá)初始化參數(shù)及實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)，進(jìn)而對目標(biāo)檢測、搜索、多目標(biāo)跟蹤以及波束調(diào)度功能進(jìn)行信號級仿真。

圖2 相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)模型功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The functional diagram of phased array radar system model

(1)波束調(diào)度模塊

實(shí)現(xiàn)目標(biāo)搜索、跟蹤的波束調(diào)度管理;實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射信號的波形、PRI、帶寬、脈寬等模板選擇;根據(jù)外部輸入的雷達(dá)發(fā)射信號功率控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功率控制或功率分級;實(shí)現(xiàn)多種工作模式(RWS、TAS、MTT、STT、VSR 等)的正常運(yùn)行及其之間的正常切換;實(shí)現(xiàn)雷達(dá)內(nèi)部時(shí)間管理和推進(jìn)。

(2)天線模塊

根據(jù)外部輸入的天線增益(主瓣增益和平均旁瓣增益)、天線波束寬度和方陣陣元數(shù)等參數(shù)計(jì)算天線方向圖;從文件讀取天線方向圖數(shù)據(jù)，并根據(jù)當(dāng)前波束指向和目標(biāo)位置計(jì)算相應(yīng)的天線增益值。

(3)發(fā)射機(jī)模塊

根據(jù)外部輸入的發(fā)射信號功率、信號頻率、脈組頻率捷變、頻率捷變點(diǎn)數(shù)等參數(shù)模擬雷達(dá)發(fā)射機(jī)功能，并根據(jù)實(shí)際背景自適應(yīng)地選擇信號類型及該類型下的具體參數(shù)，產(chǎn)生脈沖并將脈沖發(fā)送至想定中。它包含線性調(diào)頻信號、多相編碼信號、目標(biāo)回波等子模塊。

(4)接收機(jī)模塊

根據(jù)接收機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)帶寬、接收機(jī)增益等參數(shù)模擬接收機(jī)對目標(biāo)回波信號功率的放大和接收機(jī)熱噪聲功率。它包含中頻放大器模塊、相位檢波器模塊、具有相位噪聲的振蕩器產(chǎn)生模塊、IQ 解調(diào)器、STC 模塊、本振信號等子模塊。

(5)信號處理模塊

根據(jù)檢測因子、恒虛警概率、目標(biāo)回波信號功率、系統(tǒng)熱噪聲功率等計(jì)算信噪比和目標(biāo)檢測概率，并將檢測概率與0～1 均勻分布的隨機(jī)數(shù)作比較，判定雷達(dá)是否發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。若雷達(dá)檢測到目標(biāo)，則根據(jù)誤差模型計(jì)算當(dāng)次檢測目標(biāo)的誤差，并與目標(biāo)真實(shí)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，得到目標(biāo)的量測值(點(diǎn)跡)。

(6)數(shù)據(jù)處理模塊

根據(jù)外部輸入的數(shù)據(jù)處理濾波算法參數(shù)，選擇相應(yīng)的濾波器實(shí)現(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)對多目標(biāo)跟蹤，輸出目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)的同時(shí)預(yù)測目標(biāo)下一跟蹤周期的位置，向波束調(diào)度模塊發(fā)出目標(biāo)跟蹤、確認(rèn)和小搜請求。

3.3 機(jī)載電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型

考慮到整個(gè)電磁環(huán)境中雷達(dá)信號的復(fù)雜性、波形的多變性、工作頻段寬且部分重疊、時(shí)域內(nèi)信號密集等特點(diǎn)，本文將電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型分為兩個(gè)部分:電磁信號合成仿真模型與電磁信號分析處理仿真模型，其中后者又分為機(jī)載無源探測(ESM)與機(jī)載有源干擾(ECM)兩個(gè)信號處理子系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The functional diagram of electronic warfare system model

電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型的重點(diǎn)是ESM 系統(tǒng)模型，它的輸入為想定飛機(jī)平臺信息與電磁信息，運(yùn)行流程如下:首先對接收信號進(jìn)行檢測，并對滿足截獲條件的信號進(jìn)行參數(shù)(方向、頻率、到達(dá)時(shí)間和脈沖寬度)測量，形成對信號的參數(shù)描述;然后根據(jù)各型雷達(dá)信號特征(主要依托輻射源數(shù)據(jù)庫)，對實(shí)時(shí)PDW 信號流進(jìn)行輻射源分選;最后輸出PDW 及信號分選識別信息，并在此基礎(chǔ)上對輻射源進(jìn)行定位跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)載無源探測從天線、接收機(jī)到信號處理的全過程參數(shù)級仿真。

3.4 射頻環(huán)境模型

射頻環(huán)境模型作為SEWES 一個(gè)子系統(tǒng)，用于模擬典型的發(fā)射機(jī)－接收機(jī)系統(tǒng)中的電磁波傳播效果，并與所有的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)模型進(jìn)行交互，組成一個(gè)逼真的自然環(huán)境系統(tǒng)。它的輸入有本機(jī)平臺的運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)參數(shù)、目標(biāo)平臺的運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)參數(shù)、飛機(jī)發(fā)射機(jī)射頻信號參數(shù)，另外還包括模型內(nèi)部計(jì)算出來的射頻數(shù)據(jù)。它的輸出是一組包含目標(biāo)平臺的運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)參數(shù)和通過單徑、多徑和雜波模型計(jì)算出來的射頻信號參數(shù)，表現(xiàn)形式為一個(gè)雜波功率的數(shù)組。

SEWES 中射頻環(huán)境模型是利用MATLAB 工具箱開發(fā)的參數(shù)級模型，包括目標(biāo)信息處理模型和發(fā)射機(jī)、接收機(jī)射頻傳播模型兩大部分。目標(biāo)信息處理模型根據(jù)輸入的平臺位置信息、源位置信息和雷達(dá)輸入信號來計(jì)算目標(biāo)源的RCS，再通過多徑效應(yīng)計(jì)算出射頻環(huán)境中接收機(jī)需要接收到的射頻信號。發(fā)射機(jī)、接收機(jī)射頻傳播模型主要功能是通過輸入的RF 發(fā)射機(jī)信息、RF 接收機(jī)信息、源位置信息和目標(biāo)位置信息，并根據(jù)外部系統(tǒng)指定的地形類型和視線的DTED 數(shù)據(jù)計(jì)算出RF 接收機(jī)輸出信息。另外，輸入的RF 發(fā)射機(jī)信息通過單徑、多徑以及雜波模型計(jì)算出相應(yīng)的RF 發(fā)射機(jī)輸出信息。同時(shí)，該模塊還可根據(jù)坐標(biāo)計(jì)算出本機(jī)和目標(biāo)之間的距離與速度。

射頻環(huán)境模型包含6 個(gè)子模型，分別為表面雜波模型、自由空間衰減模型、多徑效應(yīng)模型、多普勒頻移模型、相移和時(shí)延模型以及RCS 計(jì)算模型。射頻環(huán)境模型通過這些子模型和相應(yīng)的地形和環(huán)境來計(jì)算飛機(jī)、傳感器、地面等目標(biāo)之間的射頻信號衰減、相移、時(shí)延以及雜波等指標(biāo)，具體數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖4 射頻環(huán)境系統(tǒng)模型功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The functional diagram of RF environment system model

4 系統(tǒng)模型應(yīng)用

為了驗(yàn)證本文所給模型的可信性與實(shí)用性，我們在SEWES 平臺上建立了一套仿真演示系統(tǒng)，如圖5所示。SEWES 平臺在劇情制作方面非常便捷，它通過想定編輯軟件采用人機(jī)互動(dòng)的方式完成作戰(zhàn)平臺的部署、系統(tǒng)模型的加載、屬性參數(shù)的設(shè)置、平臺航路的規(guī)劃以及計(jì)算機(jī)蔟資源的分配等。SEWES 架構(gòu)是分布式的，它不對系統(tǒng)(如飛機(jī)、艦船、干擾機(jī)、導(dǎo)彈)中的單個(gè)實(shí)體獨(dú)立建模，而是每個(gè)實(shí)體模型均對應(yīng)獨(dú)立的Simulink 模板文件，這樣設(shè)計(jì)的好處是仿真中平臺以及每個(gè)平臺上系統(tǒng)模型都可以很方便地升級和擴(kuò)充數(shù)量。這些分開的模型利用以太網(wǎng)TCP/IP 進(jìn)行通信。為了控制仿真執(zhí)行，主時(shí)間控制器(MTC)把不同模型的執(zhí)行進(jìn)行同步，這是非常有必要的，因?yàn)椴煌Ｐ偷姆抡娌介L往往不同。在每次仿真推進(jìn)過程中，MTC 均需等待所有模型仿真完畢后，再觸發(fā)推進(jìn)節(jié)拍。

圖5 仿真場景3D 實(shí)現(xiàn)圖Fig.5 The 3D simulation scene

該演示系統(tǒng)包括主控機(jī)和運(yùn)行機(jī)兩種平臺。主控機(jī)上產(chǎn)生仿真時(shí)鐘，并通過通信模塊與運(yùn)行機(jī)中的時(shí)鐘控制進(jìn)行同步，同步信號同時(shí)送至平臺、傳感器、射頻環(huán)境等模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步控制。運(yùn)行機(jī)主要負(fù)責(zé)模型實(shí)體的運(yùn)算，它接收系統(tǒng)的同步時(shí)間信號，推進(jìn)系統(tǒng)向前推演，并將生成的結(jié)果數(shù)據(jù)通過通信模塊發(fā)送到主控機(jī)和其他需要交互的運(yùn)行機(jī)。例如，飛機(jī)平臺模型按照仿真時(shí)刻來輸出平臺的運(yùn)動(dòng)信息，并將運(yùn)動(dòng)信息輸入至相控陣?yán)走_(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)等傳感器模型，執(zhí)行傳感器模型的運(yùn)算，產(chǎn)生相應(yīng)的探測信息、輻射信息。探測信息通過通信模塊輸送到指定模型，輻射信息首先輸入到射頻環(huán)境模型中進(jìn)行衰減、多徑等處理，再通過通信模塊發(fā)送至指定模型。

5 結(jié)束語

相比HLA 與DIS，SEWES 在航空傳感器建模仿真方面具有顯著的優(yōu)勢。本文基于SEWES 開發(fā)了一套航空傳感器仿真系統(tǒng)，分別對飛機(jī)平臺、機(jī)載雷達(dá)、機(jī)載電子戰(zhàn)系統(tǒng)和射頻環(huán)境進(jìn)行了參數(shù)級建模，并建立了典型的紅藍(lán)雙方空戰(zhàn)集成環(huán)境，有力支撐了機(jī)載綜合射頻傳感器的作戰(zhàn)需求分析及型號研制工作。目前，SEWES 還不為國內(nèi)航空傳感器領(lǐng)域所熟知，本文進(jìn)行了這方面的研究工作，意在拋磚引玉。另外，SEWES 平臺功能強(qiáng)大，但仍缺乏合理、高效、統(tǒng)一的建模規(guī)范，本文在SEWES 應(yīng)用過程中積累了大量經(jīng)驗(yàn)，制定了模型框架、模型編碼、模型接口等方面的初級規(guī)范，后續(xù)將對上述規(guī)范進(jìn)行完善，以進(jìn)一步推動(dòng)SEWES 在航空傳感器仿真中的應(yīng)用。

［1］ 蔡文新，藺云，蔣東.L 頻段機(jī)載腔體雙頻濾波器協(xié)同仿真設(shè)計(jì)［J］.電訊技術(shù)，2014，54(4):491－495.CAI Wenxin，LIN Yun，JIANG Dong.Cosimulation Design of L－ band Cavity Dual－ passband Filters for Airborne Applications［J］. Telecommunication Engineering，2014，54(4):491－495.(in Chinese)

［2］ 睢志佳，程詠梅，楊峰，等.基于HLA 的機(jī)載多傳感器探測仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2012，24(6):1212－1217.SUI Zhijia，CHENG Yongmei，YANG Feng，et al. Design and Realization of Airborne Multi－sensor Simulation Detection System Based on HLA［J］.Journal of System Simulation，2012，24(6):1212－1217.(in Chinese)

［3］ 劉翠海，王文清，劉中華. 基于VC + +的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈通信仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 電訊技術(shù)，2013，53(7):899－903.LIU Cuihai，WANG Wenqing，LIU Zhonghua. Design and Implementation of a Tactical Data Link Communication Simulation System Based on VC + +［J］. Telecommunication Engineering，2013，53(7):899－ 903. (in Chinese)

［4］ 陳西選，徐珞，曲凱，等.仿真體系結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2014，50(9):32－36.CHEN Xixuan，XU Luo，QU Kai，et al.Research on Simulation Architecture Development State and Trends［J］.Computer Engineering and Applications，2014，50(9):32－36.(in Chinese)

［5］ 劉華翔，朱榮昌.F－22 機(jī)載火控雷達(dá)系統(tǒng)研究［J］.飛機(jī)設(shè)計(jì)，2003(3):42－46.LIU Huaxiang，ZHU Rongchang. An Analysis Study on F－22 Airborne Fire Control Radar System ［J］. Aircraft Design，2003(3):42－46.(in Chinese)